CN108197386B - 基于cfd仿真的歧管净化器结构优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于CFD仿真的歧管净化器结构优化方法，包括如下步骤：对现有歧管净化器进行CFD分析；对上步得到的CFD计算结果进行分析，提出2种优化方案；对2种优化方案的歧管净化器分别进行CFD分析；比对CFD分析结果，选取歧管净化器进出气口压差△P小及催化剂载体流动均匀性系数UI高的设计方案；本发明采用CFD分析工具模拟出不同方案歧管净化器的进出气口压差△P（即压力损失）及载体流动均匀性系数UI，可以预测排放效果和排气系统背压，有效指导歧管净化器结构优化设计，并能缩短产品开发周期。

Description

基于CFD仿真的歧管净化器结构优化方法
技术领域
本发明涉及一种净化器结构优化方法，尤其是一种基于CFD(ComputationalFluid Dynamics)仿真的歧管净化器结构优化方法，属于汽油机尾气后处理技术领域。
背景技术
随着排放法规越来越严格，歧管式催化转化器得到了更为广泛的应用。歧管式催化转化器的安装位置更靠近发动机，发动机排气的热能损失少，具有更快的起燃速度，能够满足低排放的要求。
由于歧管净化器位置距离发动机出口很近，气流的温度很高，可达到800℃以上，且气流的速度很快，再加上歧管的走向很复杂，废气在载体前难以混合均匀，导致催化剂载体的有效利用率低，难以满足排放要求。同时，如果歧管净化器的结构设计不合理，还可能导致排气系统背压过高，影响发动机的动力性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有的歧管净化器歧管结构复杂，难以满足排放要求的缺陷，提供一种基于CFD仿真的歧管净化器结构优化方法，该优化方法采用CFD仿真分析歧管净化器的气流均匀性及压力损失，指导歧管净化器的优化设计，通过优化歧管走向、歧管的长度以及端盖的形状，从而使歧管净化器的气流均匀性及压力损失满足设计目标，保证满足排放标准，并保证汽车发动机的动力性能和稳定性。
为实现以上技术目的，本发明采用的技术方案是：基于CFD仿真的歧管净化器结构优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一.基于现有歧管净化器，对现有歧管净化器进行CFD分析；
步骤二.对步骤一得到的CFD计算结果进行分析，根据分析结果提出2种歧管净化器优化方案；
步骤三.对2种优化方案的歧管净化器分别进行CFD分析；
步骤四.比对现有方案及2种优化方案的CFD分析结果，选取歧管净化器进出气口压差△P小及催化剂载体流动均匀性系数UI高的设计方案。
进一步地，所述CFD分析包括如下步骤：
步骤一.基于歧管净化器，进行CFD前处理；
步骤二.进行CFD求解器的设置；
步骤三.进行CFD仿真运算；
步骤四.分析CFD仿真运算结果。
进一步地，所述步骤一中，所述CFD前处理包括如下步骤：
第一步.几何前处理：采用三维建模工具建立歧管净化器的三维模型，并将所述三维模型的流体域提取出来；
第二步.网格前处理：所述网格前处理是采用网格划分工具对整个流体域进行网格划分；
第三步.设置边界条件：根据所需模拟的歧管催化剂的三维模型，确认CFD计算边界条件，包括歧管净化器的初始进气温度、进气流量、初始进气压力、初始出气压力和催化剂载体参数。
进一步地，所述第二步中网格划分包括面网格划分和体网格划分，全局网格尺寸设置为2mm，且催化剂载体区域的网格为结构网格，所述结构网格方向与多孔介质和流体交界面垂直。
进一步地，所述第三步中催化剂载体参数包括载体长度、直径、目数、催化剂涂层厚度、粘性阻力系数和惯性阻力系数。
进一步地，所述步骤二中，所述求解器的设置为：采用选择稳态计算模型和多孔介质模型，将初始边界条件代入模型方程式中，并设置计算结果的输出参数及收敛因子。
进一步地，所述计算结果的输出参数为进出气口压差△P及催化剂载体流动均匀性系数UI。所述催化剂载体流体均匀性系数UI满足公式为：
Figure BDA0001536049500000021
其中，γ为均匀性系数；A为载体截面积，Ai为单元i面积，Vi为单元i轴向速度，
Figure BDA0001536049500000022
为平均速度。
进一步地，所述化剂载体流体均匀性系数UI测试位置选取距离载体前端面10mm处载体内部的截面。
进一步地，所述步骤三中CFD仿真运算具体为，经过相关参数的设置，开始进行运算，并观察残差曲线的收敛情况，当残差值不大于1×e-4时，停止运算。
进一步地，歧管净化器的进气口包括四个缸，四个缸为四个工况，所述步骤四中可得到不同方案不同工况下的输出参数，选取歧管净化器进出气口压差△P小及催化剂载体流动均匀性系数UI高的设计方案。
从以上描述可以看出，本发明的技术效果在于：本发明与现有技术相比，通过优化歧管走向、歧管的长度以及端盖的形状，设计出2种优化方案，采用CFD分析工具模拟出不同方案歧管净化器的进出气口压差△P(即压力损失)及载体流动均匀性系数UI，UI均匀性越高，载体的利用率和转化效率越高，能够有效地降低污染物的排放，△P越小，排气系统背压越小，越能提高发动机动力性能；
根据CFD分析结果，可以预测排放效果和排气系统背压，有效指导歧管净化器结构优化设计，并能够有效地缩短产品开发周期。
附图说明
图1是现有技术的歧管催化剂的结构示意图。
图2是本发明优化方案一歧管催化剂的结构示意图。
图3是本发明优化方案二歧管催化剂的结构示意图。
附图标记说明：1-歧管、2-球形端盖、3-三通型端盖、4-沙漏型端盖。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
基于CFD仿真的歧管净化器结构优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一.基于现有歧管净化器结构，对现有歧管净化器进行CFD分析；
如图1所示，为现有歧管净化器，包括歧管1及与所述歧管1连接的球形端盖2；
步骤二.对步骤一得到的CFD计算结果进行分析，根据分析结果提出2种歧管净化器优化方案；
2种歧管净化器的优化方案分别为：如图2所示，为优化方案一的歧管净化器，包括歧管1及与所述歧管1连接的三通型端盖3；如图3所示，为优化方案二的歧管净化器，包括歧管1及与所述歧管1连接的沙漏型端盖4；
步骤三.对2种优化方案的歧管净化器分别进行CFD分析；
步骤四.比对现有方案及2种优化方案的CFD分析结果，选取歧管净化器进出气口压差△P小及催化剂载体流动均匀性系数UI高的设计方案。
如上方法中CFD分析过程包括如下步骤：
步骤一.基于歧管净化器，进行CFD前处理；
所述CFD前处理包括如下步骤：
第一步.几何前处理：采用三维建模工具建立歧管净化器的三维模型，并将所述三维模型的流体域提取出来；
第二步.网格前处理：所述网格前处理是采用网格划分工具对整个流体域进行网格划分；所述网格划分包括面网格划分和体网格划分，全局网格尺寸设置为2mm，且催化剂载体区域的网格为结构网格，所述结构网格方向与多孔介质和流体交界面垂直。
第三步.设置边界条件：根据所需模拟的歧管催化剂的三维模型，确认CFD计算边界条件，包括歧管净化器的初始进气温度、进气流量、初始进气压力、初始出气压力和催化剂载体参数，所述催化剂载体参数包括载体长度、直径、目数、催化剂涂层厚度、粘性阻力系数和惯性阻力系数；
步骤二.进行CFD求解器的设置；
所述求解器的设置为：采用选择稳态计算模型和多孔介质模型，将初始边界条件代入模型方程式中，并设置计算结果的输出参数及收敛因子；
所述计算结果的输出参数为进出气口压差△P及催化剂载体流动均匀性系数UI；
步骤三.进行CFD仿真运算；
所述CFD仿真运算具体为，经过相关参数的设置，开始进行运算，并观察残差曲线的收敛情况，当残差值不大于1×e-4时，停止运算。
步骤四.分析CFD仿真运算结果；
歧管净化器的进气口包括四个缸，四个缸为四个工况，所述步骤四中可得到不同方案不同工况下的输出参数，选取歧管净化器进出气口压差△P小及催化剂载体流动均匀性系数UI高的设计方案；
经过CFD仿真计算，歧管净化器进气口的四缸分为四个工况，可得到不同方案不同工况下的输出参数；
四个工况如下表：工况1为一缸打开，其他三个缸关闭，气流从一缸的进气口进入，工况2为二缸打开，其他三缸关闭，气流从二缸的进气口进入，工况3为三缸打开，其他三缸关闭，气流从三缸的进气口进入，工况4为四缸打开，其他三缸关闭，气流从四缸的进气口进入；
一缸进气 二缸进气 三缸进气 四缸进气
工况1 ON OFF OFF OFF
工况2 OFF ON OFF OFF
工况3 OFF OFF ON OFF
工况4 OFF OFF OFF ON
所述催化剂载体流体均匀性系数UI满足公式为：
Figure BDA0001536049500000041
其中，γ为均匀性系数；A为载体截面积，Ai为单元i面积，Vi为单元i轴向速度，
Figure BDA0001536049500000042
为平均速度，选取距离催化剂载体前端面10mm处的界面作为观察面，对三种方案在不同工况进行CFD仿真计算，得到催化剂载体流动均匀性系数UI的值如下表：
Figure BDA0001536049500000043
对分析结果对比可知，优化方案1的流动均匀性相比现有方案均有所提高，但仍未达到大于0.85的设计要求；优化方案2的流动均匀性最好，优于现有方案和优化方案1，且能够满足大于0.85的设计要求。
经CFD仿真计算，得到三种方案不同工况下进出气口压差△P的值，如下表：
Figure BDA0001536049500000051
对分析结果对比可知，优化方案2四个工况下歧管净化器的压力损失最小，且四缸分别进气的压力损失的差异性也满足要求，进出气口压力损失△P越小，发动机的动力性能及稳定性越好。
综合分析可知，根据CFD分析结果，优化方案2的催化剂载流动体均匀性系数UI最大，进出气口压差△P最小，因此，优化方案2的歧管净化器的气流均匀性及压力损失满足设计目标，同时满足排放标准，并能够保证汽车发动机的动力性能和稳定性。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于CFD仿真的歧管净化器结构优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一.基于现有歧管净化器，对现有歧管净化器进行CFD分析；
步骤二.对步骤一得到的CFD计算结果进行分析，根据分析结果提出2种歧管净化器优化方案；
2种歧管净化器的优化方案分别为：为优化方案一的歧管净化器，包括歧管1及与所述歧管1连接的三通型端盖3；为优化方案二的歧管净化器，包括歧管1及与所述歧管1连接的沙漏型端盖4；
步骤三.对2种优化方案的歧管净化器分别进行CFD分析；
步骤四.比对现有方案及2种优化方案的CFD分析结果，选取歧管净化器进出气口压差△P小及催化剂载体流动均匀性系数UI高的设计方案；
歧管净化器的进气口包括四个缸，四个缸为四个工况，所述步骤四中可得到不同方案不同工况下的输出参数，选取歧管净化器进出气口压差△P小及催化剂载体流动均匀性系数UI高的设计方案；
所述CFD分析包括如下步骤：
步骤一.基于歧管净化器，进行CFD前处理；
所述CFD前处理包括如下步骤：
第一步.几何前处理：采用三维建模工具建立歧管净化器的三维模型，并将所述三维模型的流体域提取出来；
第二步.网格前处理：所述网格前处理是采用网格划分工具对整个流体域进行网格划分；
所述第二步中网格划分包括面网格划分和体网格划分，全局网格尺寸设置为2mm，且催化剂载体区域的网格为结构网格，所述结构网格方向与多孔介质和流体交界面垂直；
第三步.设置边界条件：根据所需模拟的歧管催化剂的三维模型，确认CFD计算边界条件，包括歧管净化器的初始进气温度、进气流量、初始进气压力、初始出气压力和催化剂载体参数；
所述第三步中催化剂载体参数包括载体长度、直径、目数、催化剂涂层厚度、粘性阻力系数和惯性阻力系数；
步骤二.进行CFD求解器的设置；
步骤三.进行CFD仿真运算；
所述步骤三中CFD仿真运算具体为，经过相关参数的设置，开始进行运算，并观察残差曲线的收敛情况，当残差值不大于1×e-4时，停止运算；
步骤四.分析CFD仿真运算结果。
2.根据权利要求1所述的基于CFD仿真的歧管净化器结构优化方法，其特征在于：所述步骤二中，所述求解器的设置为：采用选择稳态计算模型和多孔介质模型，将初始边界条件代入模型方程式中，并设置计算结果的输出参数及收敛因子。
3.根据权利要求1所述的基于CFD仿真的歧管净化器结构优化方法，其特征在于：所述计算结果的输出参数为进出气口压差△P及催化剂载体流动均匀性系数UI， 所述催化剂载体流体均匀性系数UI满足公式为：
Figure FDA0003025870540000021
其中，γ为均匀性系数；A为载体截面积，Ai为单元i面积，Vi为单元i轴向速度，
Figure FDA0003025870540000022
为平均速度。
4.根据权利要求3所述的基于CFD仿真的歧管净化器结构优化方法，其特征在于：所述化剂载体流体均匀性系数UI测试位置选取距离载体前端面10mm处载体内部的截面。
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